Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HỒ ĐỨC NHÂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 Công trình nghiên cứu ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÕA Phản biện 1: TS NGÔ ĐÌNH THANH Phản biện 2: TS NGUYỄN VĂN SUM Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 05 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, hệ truyền động điện dây chuyền công nghệ đại, động không đồng (KĐB) ứng dụng rộng rãi có nhiều ưu điểm so với động chiều Tuy nhiên cấu trúc phi tuyến đa thông số, nên việc điều khiển động không đồng gặp nhiều khó khăn Những năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất kỹ thuật điều khiển tạo chuyển biến hướng cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển đại, hiệu đề xuất cho việc điều khiển động không đồng Đặc biệt, phương pháp điều khiển vector phương pháp tin cậy hiệu để điều khiển hệ động không đồng nhờ thay dần động chiều Điều khiển động KĐB theo định hướng trường tập trung vào loại là: Tựa theo từ thông rotor (RFOC – rotor flux oriented control), tựa theo từ thông stator (SFOC – stator flux oriented control) tựa theo từ thông khe hở không khí (AFOC – air gap flux oriented control) Tuy sử dụng vector định hướng khác chúng có mục đích điều khiển moment từ thông động KĐB ba pha Trong RFOC sử dụng phổ biến khối lượng tính toán ít, dễ dàng thực điều khiển Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm giá thành đảm bảo an toàn thực nghiệm, sử dụng công cụ mô mạnh để mô phỏng, đặc biệt Matlab Simulink Quá trình phân tích mô làm sáng tỏ, tường minh trực quan vấn đề thuật toán mà lý thuyết đưa ra, công cụ tốt để nghiên cứu học tập mà cho phép nghiên cứu chất vật lý, trình điện từ xảy kênh lượng kênh điều khiển truyền động điện xoay chiều không đồng pha; giúp giảm chi phí trình thực nghiệm công đoạn thiếu quy trình áp dụng công nghệ từ lý thuyết vào thực tế Đề tài tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư lĩnh vực điều khiển máy điện, quan tâm đến phương pháp điều khiển định hướng trường để điều khiển động KĐB, cung cấp kiến thức cách thức tiếp cận lý thuyết định hướng trường Mục tiêu nghiên cứu + Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động KĐB rotor pha lồng sóc + Mục tiêu cụ thể Khảo sát phương pháp điều khiển tốc độ động KĐB pha Thiết kế điều khiển PID điều khiển tốc độ động KĐB pha Tìm hiểu phần mềm Matlab ứng dụng để mô hệ thống Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường, phương pháp điều khiển tốt ứng dụng rộng rãi điều khiển động điện Xây dựng mô hình động KĐB pha với điều khiển PID Mô phân tích kết phần mềm Matlab Simulink Đề xuất mô hình ước lượng tốc độ, ước lượng từ thông hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động không đồng ba pha Phƣơng pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu: Sách nước nước ngoài, công trình nghiên cứu khoa học công bố, báo tạp trí khoa học internet Khảo sát, phân tích tổng hợp, mô hình hóa mô phần tử máy tính dùng chương trình Matlab Simulink Đánh giá kết nghiên cứu dựa kết mô Bố cục đề tài Toàn luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Mô hình động không đồng pha Chương 3: Điều khiển định hướng trường Chương 4: Bộ điều khiển PID Chương 5: Xây dựng cấu trúc khối điều khiển Chương 6: Nhận xét kết mô CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.3.1 Phƣơng pháp V/f = const (điều khiển vô hƣớng) 1.3.2 Phƣơng pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) 1.3.3 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) Điều khiển định hướng trường (FOC) đạt việc thay đổi moment từ thông dẫn đến việc điều khiển từ thông moment tương tự động DC kích từ độc lập Điều khiển định hướng trường FOC có đặc điểm sau: - Định hướng từ thông, tối ưu moment - Điều khiển vòng kín, moment điều khiển gián tiếp Ưu điểm: - Điều khiển xác tốc độ - Đáp ứng moment ổn định - Nguyên lý điều khiển tương tự động DC Nhược điểm: - Phải có hồi tiếp từ thông giải thuật điều khiển - Quá trình điều khiển phải chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục - Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào điều khiển dòng hay áp thông số đầy đủ động CHƢƠNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 2.1 ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1.1 Cấu tạo a Stator gồm phận: lõi thép, dây quấn vỏ máy b Rotor gồm có phận: lõi thép, trục dây quấn c Khe hở không khí 2.1.2 Nguyên tắc hoạt động động không đồng ba pha 2.2 VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƢỢNG BA PHA 2.2.1 Khái quát 2.2.2 Xây dựng vectơ không gian a Mô tả vector hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ) b Mô tả vector tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) 2.3 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA [3] Sơ đồ thay tương đương động KĐB pha lý tưởng hình 2.14 Rs L L S Rr r + Ls Lm Lr j - Hình 2.14 Sơ đồ thay tương đương động KĐB pha lý tưởng [6] r 2.3.1 Hệ phƣơng trình trạng thái động KĐB pha hệ tọa độ stator (αβ) dis dt Ts dis Ts dt ' d dt ' d Tr Tr is Tr r dt ' ' r ' Tr r us Ls us Ls (2.17) ' r Tr ' ' r r r ' r Tr is Tr is Tr r is ' r Phương trình moment: L2m zp Lr mM ' r ' r is - (2.19) is 2.3.2 Hệ phƣơng trình trạng thái động KĐB pha hệ tọa độ từ thông rotor (dq) disd dt disq dt d ' rd dt d ' rq dt - Ts 1i Tr sd - Ts 11isq - sisd Tr 1 i Tr sd Tr isq Tr ' rd s - 1Tr i s rq - Tr ' rd 1Tr ' rq ' rq u Ls sd usq Ls (2.27) ' rq s ' rd 1- ' rd ' rq Phương trình moment: mM L2m z ( p Lr ' rd sq i ) (2.29) 2.3.3 Phép chuyển hệ trục tọa độ a.Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ αβ ngược lại Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ us (u 0.5ub 0.5uc ) a us ub (2.31) uc Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc u sa u sb u sc us us us us us (2.32) b Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq ngược lại Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq u sd u sq u a cos u a sin u b cos s s u b sin s - s u c cos u c sin s - 4 s (2.33) Phép chuyển hệ trục tọa độ dq sang hệ tọa độ abc ua u sd cos sin ub u sd cos s u sq sin s uc u sd cos s u sq sin s s s (2.34) c Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq ngược lại Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq u sd u sq u s cos u s sin s u s sin s u s cos s (2.35) s Phép chuyển hệ trục tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ us u sd cos us u sd sin s s u sq sin s u sq cos s (2.36) 2.4 Kết luận Từ mô hình toán động KĐB pha ta tiến hành xây dựng mô hình động mô matlab simulink Dựa phương pháp điều khiển trình xây dựng mô hình toán, ta xây dựng chương trình chuyển hệ tọa độ phù hợp để thực mô hình hóa phần tử Khi mô động hệ tọa độ αβ hay dq, ta cần phải chuyển hệ tọa độ abc sang αβ hay ngược lại dq sang αβ theo công thức nêu 11 Hình 4.11 Mô hình điều khiển với Kgh Hình 4.12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn Xác định thông số điều khiển theo bảng 4.2 : Bảng 4.2 Thông số điều khiển theo thực nghiệm Bộ điều khiển KP TI TD P 0,5 Kgh - - PI 0,45 Kgh 0,83 Tgh - PID 0,6 Kgh 0,5 Tgh 0,12Tgh 12 CHƢƠNG XÂY DỰNG CẤU TRÖC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN 5.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG FOC Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan mô FOC 5.1.1 Khối mạng tính dòng (MTi) Hình 5.2 Sơ đồ khối mạng tính dòng 5.1.2 Khối điều chỉnh dòng isd isq Hình 5.3 Sơ đồ khối điều chỉnh dòng isd isq 13 5.1.3 Khối mạng tính áp (MTu) Hình 5.4 Sơ đồ khối mạng tính áp 5.1.4 Khối chuyển tọa độ áp (CTDu) Hình 5.5 Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ dq sang abc Hình 5.6 Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ dq sang αβ 14 Hình 5.7 Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ αβ sang abc 5.1.5 Khối động không đồng ba pha Hình 5.8 Sơ đồ khối động không đồng Hình 5.9 Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ abc sang αβ 15 Hình 5.10 Sơ đồ khối động không đồng pha hệ tọa độ αβ 5.1.6 Khối chuyển tọa độ dòng điện (CTDi) Hình 5.11 Sơ đồ khối chuyển tọa độ dòng điện từ abc sang αβ 16 Hình 5.12 Sơ đồ khối chuyển tọa độ dòng điện từ αβ sang dq 5.1.7 Khối ƣớc lƣợng từ thông rotor Hình 5.13 Sơ đồ khối ước lượng từ thông rotor 5.2 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG FOC VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PI Hình 5.14 Mô hình FOC với điều khiển PI 17 CHƢƠNG NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 6.1 THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA Bảng 6.1 Thông số động KĐB pha[2] Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Tần số f 50 Hz Điện trở stator Rs 1.177 Điện trở rotor Rr 1.382 Điện cảm stator Ls 0.118 H Điện cảm rotor Lr 0.113 H Hỗ cảm Lm 0.113 H Jm 0.00126 Kg.m2 Moment tải mM 3.5 Nm Số đôi cực zp Moment quán tính 6.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG FOC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI 6.2.1 Thông số điều khiển PI Thông số khâu điều chỉnh từ thông: KP = 0,45* Kgh =0,45*301=135.45 KI KD TI KD 0,83Tgh 135,45 0,83 *1,217 134,1 18 Thông số khâu điều chỉnh moment: KP =0,45* Kgh = 0,45*252,75=113,7375 KI KD TI KD 0,83Tgh 113,7375 71,74 0,83 *1,901 Thông số khâu điều chỉnh tốc độ: KP =0,45* Kgh = 0,45*342,44=154,098 KD KD 154,098 KI 283,8841 TI 0,83Tgh 0,83 * 0,654 6.2.2 Động hoạt động không tải mW = Nm Tốc độ đặt cho động là: Wref = 150,72 rad/s, sau 2s giảm tốc độ xuống ½ giá trị đặt Thời gian mô phỏng: 4s Tu thong dat Tu thong dap ung Firef Fi (Webe) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 3.5 time (s) Hình 6.1 Dạng sóng đáp ứng từ thông mở máy không tải 19 150 Toc dat Toc dap ung 100 Wref W(rad/s) 50 -50 -100 -150 0.5 1.5 2.5 3.5 time (s) Hình 6.2 Dạng sóng đáp ứng tốc độ mở máy không tải Momen dat Momen dap ung MLref ML (Nm) -1 -2 -3 0.5 1.5 2.5 3.5 time (s) Hình 6.3 Dạng sóng đáp ứng moment mở máy không tải 20 15 Dong dien Ia Dong dien Ib Dong dien Ic 10 Iabc (A) -5 -10 -15 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.4 Dạng sóng dòng điện pha mở máy không tải 6.2.3 Động hoạt động có tải cố định mW = 3,5 Nm Tốc độ đặt cho động là: Wref = 150,72 rad/s, sau 2s giảm tốc độ xuống ½ giá trị đặt Moment tải mW = 3,5 Nm mô đặt vào sau động khởi động 1,5s giảm Nm sau 3s Thời gian mô phỏng: 4s Firef Fi (Webe) 0.8 Tu thong dat Tu thong dap ung 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.5 Dạng sóng đáp ứng từ thông tải cố định 21 160 Toc dat Toc dap ung 140 Wref W(rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.6 Dạng sóng đáp ứng tốc độ tải cố định Momen dat Momen dap ung 3.5 MLref ML (Nm) 2.5 1.5 0.5 -0.5 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.7 Dạng sóng đáp ứng moment tải cố định 15 Dong dien Ia Dong dien Ib Dong dien Ic 10 Iabc (A) -5 -10 -15 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.8 Dạng sóng đáp ứng dòng điện pha tải cố định 22 6.2.4 Động hoạt động có tải thay đổi, tốc độ thay đổi, đảo chiều quay động Tu thong dat Tu thong dap ung Firef Fi (Webe) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 time (s) Hình 6.9 Dạng sóng đáp ứng từ thông tải tốc độ thay đổi 150 Toc dat Toc dap ung 100 Wref W(rad/s) 50 -50 -100 -150 time (s) Hình 6.10 Dạng sóng đáp ứng tốc độ tải tốc độ thay đổi Momen dat Momen dap ung MLref ML (Nm) -1 -2 -3 -4 -5 time (s) Hình 6.11 Dạng sóng đáp ứng moment tải tốc độ thay đổi 23 15 Dong dien Ia Dong dien Ib Dong dien Ic 10 Iabc (A) -5 -10 -15 time (s) Hình 6.12 Dạng sóng đáp ứng dòng điện pha tải tốc độ thay đổi 6.3 NHẬN XÉT - Từ thông bám theo giá trị đặt với thời gian đáp ứng khoảng 0,2s - Sự thay đổi tốc độ tăng tốc giảm tốc không ảnh hưởng đến từ thông rotor - Hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao trình điều khiển 24 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI * KẾT LUẬN - Hệ thống đạt chất lượng cao sử dụng điều khiển PI - Sự thay đổi tốc độ moment không ảnh hưởng đến từ thông rotor - Kết mô cho thấy phạm vi ứng dụng truyền động điều khiển động thực tế, điều khiển xác tốc độ động theo giá trị đặt * HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Quá trình thực đề tài nội dung sau nghiên cứu phát triển - Sử dụng mạng nơron nhân tạo khâu ước lượng từ thông ước lượng tốc độ - Sử dụng điều khiển PI mờ kết hợp với nơron để điều khiển động - Triển khai thực nghiệm ... Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động KĐB rotor pha lồng sóc + Mục tiêu cụ thể Khảo sát phương pháp điều khiển tốc độ động KĐB pha Thiết kế điều khiển PID điều khiển tốc độ động KĐB pha. .. phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường, phương pháp điều khiển tốt ứng dụng rộng rãi điều khiển động điện Xây dựng mô hình động KĐB pha với điều khiển PID Mô phân... cao sử dụng điều khiển PI - Sự thay đổi tốc độ moment không ảnh hưởng đến từ thông rotor - Kết mô cho thấy phạm vi ứng dụng truyền động điều khiển động thực tế, điều khiển xác tốc độ động theo